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第四章电离辐射生物学效应基础 金顺子教授 博导吉林大学公共卫生学院放射生物学教研室 ionizingradiationisubiquitous air water soil plants animals people food paper machineryandbuildingsareradioactive 医学放射生物学研究电离辐射对机体 特别是人体 的各种细胞 组织 器官和系统的作用规律和机理的一门科学 为保障机体安全和健康 探索有效防护措施和提高临床放射治疗水平提供理论基础 使射线和核技术更好地为人类服务 第一节辐射生物学效应基本概念 辐射生物效应 biologicaleffectofionizingradiation 电离辐射作用于机体后 其能量传递给机体的分子 细胞 组织和器官等基本生命物质和分子后 引起一系列复杂的物理 化学和生物学变化 由此所造成生物体组织细胞和生命各系统功能 调节和代谢的改变 产生各种生物学效应 电离辐射生物效应的种类 icrp第60号建议书 1991 中 区分以下四个述语 变化 由辐射引起的某种生物学改变 可能有害 也可能无害 损伤 表示某种程度的有害变化 这种损伤是指对细胞有害 不一定是对受照射的人体有害 损害 指临床上可观察到的有害效应 表现于受照射的个体 躯体效应 或其后代 遗传效应 危害 是一个复杂的概念 它将损害的概率 严重程度和显现时间结合起来加以考虑 辐射种类 按与物质作用分类 电离辐射 ionizingradiation 非电离辐射 non ionizingradiation 按本质和性质分类 电磁辐射 electromagneticradiation 粒子辐射 particleradiation 电离辐射与非电离辐射电离辐射是指一切能引起物质电离的辐射总称 电磁辐射 无形 以相互垂直的电场和磁场 随时间变化而交变振荡 形成向前运动的电磁波电离辐射 如x射线和 射线 非电离辐射 如无线电波 微波等 粒子辐射 有形 高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质高速粒子 带电粒子 电磁辐射 电离辐射 粒子辐射 x 射线 中子质子 负 电磁辐射 波谱 传能线密度与相对生物效应 重点 一 传能线密度 linearenergytransfer let 定义 带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量 单位j m let概念也适用于虽不是直接电离粒子 但通过次级带电粒子的x 射线和中子 与生物效应的关系 正相关 二 相对生物效能 elativebiologicaleffectiveness rbe rbe x或 射线引起某一生物效应所需剂量 所观察的电离辐射引起相同生物效应所需剂量 一 rbe的含义 rbe的大小随所比较的剂量不同而有些差别 最好在平均灭活剂量或平均致死剂量下比较 意义 主要是为了比较在剂量相同时 不同种类的电离辐射引起某一特定效应的效率的差别 即 剂量相同 辐射种类不同 产生的效应也不同 若要产生相同效应 则不同种类的辐射所需的剂量就不同 二 let与rbe的关系rbe的变化是let的函数 正相关 let 100kev um时 let继续增加 rbe反而下降 表明更多的射线并不能用于引起生物效应上 反而被浪费了 原发作用与继发作用 一 原初作用 primaryeffect 指从照射之时起到在细胞学上观察到可见损伤的这段时间内 在细胞中进行着辐射损伤的原初和强化过程 包括物理 物理化学和化学三个阶段 此过程中辐射能量的吸收和传递 分子的激发和电离 自由基的产生 化学键的断裂等 都是在生物体内进行的 二 继发作用 secondaryeffect 是指在原发作用发生的基础上 因原发作用形成的各种活性基团不断攻击生命大分子 导致生物显微结构的破坏 继而发生一系列生物学 生物化学的损伤效应 继发反应 亚细胞结构的破坏 细胞内水解酶的释放 信号转导网络的改变或破坏 代谢的方向性和协调性的紊乱 生物化学损伤 细胞 组织器官和系统的变化 病理学改变 功能变化 三 电离和激发 电离 作用 ionization 生物组织分子被粒子或光子流撞击 轨道电子击出 产生自由电子和带正电荷的离子 即形成离子对 这一过程称为电离 作用 激发作用 excitation 电离辐射与组织分子相互作用 能量不足以击出电子 而使轨道电子从低能级跃迁到较高能级轨道 分子处于激发态 激发分子很不稳定 容易向邻近分子或原子释放能量 四 水的电离和激发 水的原初辐解产物 电离辐射作用于机体的水分子 使水分子发生电离和激发 产生自由基和分子 这种反应称水的辐解反应 各种自由基和分子统称水的原初辐解产物 水合电子游离的电子在碰撞过程中丧失其大部分能量 当其能量水平降至100ev以下而未被捕获时 可吸收若干水分子而形成水合电子 刺团水的原初辐射反应并非平均分布于空间 一般是在小的体积内成簇发生的 这种小的反应体积称为刺团 平均半径为1 5nm 每个刺团内含有6个自由基 直接作用与间接作用 重点 一 直接作用 directeffect 概念 电离辐射的能量直接沉积于生物大分子 引起生物大分子的电离和激发 破坏机体的核酸 蛋白质 酶等具有生命功能的物质 这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用 特点 生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物大分子上 电离辐射对dna分子损伤的直接作用 直接作用 二 间接作用 indirecteffect 概念 电离辐射首先作用于水 使水分子产生一系列原初辐射分解产物 h oh 水合电子等 再作用于生物大分子引起后者的物理和化学变化 特点 能量沉积和生物效应发生在不同分子 电离辐射对dna分子损伤的间接作用 间接作用 电离辐射间接作用的四种效应1 稀释效应 dilutioneffect 指最大的相对效应发生在最稀释的溶液中 一定剂量的电离辐射在溶液中产生固定数量自由基 如果作用是间接的 那么失活的溶质分子数目就与溶液浓度无关 只与产生的自由基数量一致 若作用为直接的 则失活的溶质分子数将取决于受照溶液的溶质分子数 并与溶液浓度成正比 在稀释溶液系统中 间接作用占主要地位 2 温度效应 temperatureeffect 指在一定实验条件下 受照射系统 如酶浓度 的辐射效应 随着周围温度升高而加重 因为温度升高 增加了自由基接近酶的机会 使酶分子损伤加重 反之亦然 对于恒温生物表面来讲 包括人体 通常条件下的照射所产生的辐射效应不受环境温度变化的影响 3 防护效应 protectiveeffect 指向受照射的生物系统中引入某种或某几种物质具有能降低该系统的损伤程度的作用 辐射防护剂 radioprotectors 指有机体或某一种生物系统受辐照前或辐照后立即给予某种物质 能减轻其辐射损伤 促进其修复的物质 剂量降低系数 dosereductionfactor drf drf 有防护剂时 引起致死效应所需辐照剂量无防护剂时 引起致死效应所需辐照剂量 表4 5wr2721对正常组织的防护作用被防护的组织未被防护的组织骨髓 2 4 3 脑免疫系统 1 8 3 4 脊髓皮肤 2 2 4 小肠 1 8 2 结肠 1 2 1 8 食道 1 4 肾 1 5 肝 2 7 唾液腺 2 0 睾丸 2 1 4 氧效应 oxygeneffect 氧效应 是指受照射的生物组织 细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增加 氧 自由基 过氧化物自由基 r00 在有氧条件下细胞放射敏感性增高 增高的幅度与氧浓度有关 氧增强比 oxygenenhancementradio oer 是指缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值 其公式是 oer 缺氧条件下产生一定效应的剂量有氧条件下产生同样效应的剂量 氧效应的发生机制 氧具有双重作用 氧固定假说 电离辐射在靶分子中诱发自由基 如果有氧存在 辐射产生的自由基迅速与氧分子结合 形成一种妨碍靶分子生物功能的集团roo 辐射o2rr roo 电子转移假说 辐射 靶分子 游离电子 两种可能 回到靶分子原位 自愈转移到一个电子陷阱部位 靶分子损伤 氧浓度对氧效应的影响 有氧条件下细胞放射敏感性增高氧分压从0上升至1 放射敏感性迅速增加增至21 或至100 时 敏感性处于坪值 照射时间对氧效应的影响 照射前引入氧 表现出氧效应照射后引入氧 无效 氧效应生物学意义 许多实体瘤细胞是乏氧的 因而对放射治疗有抗性 应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量 或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力 自由基 自由基 freeradical 指含有一个或多个不配对电子的原子 分子 离子或游离基团 形成方式 均裂 homolyticfission 自由基的特性 高反应性 带有未配对电子 具有强烈的获取或失去电子以成为配对电子的趋势 因此化学性质活泼不稳定性 寿命短不稳定顺磁性 当电子成对存在于同一轨道时 由于两个电子的自旋方向相反 各自的相应磁矩相互抵消 对外不显示磁性 活性氧氧化应激氧自由基 1 活性氧 reactiveoxygenspecies ros 是指含有氧的活性物质 可能是氧的某些代谢产物和一些经过生化反应而产生的含氧基团 主要有以氧的单电子还原产物 氧的双电子还原产物 烷烃过氧化物rooh 均裂产物ro roo 处于激发态的氧 2 氧化应激 oxidativestress 是指具有活性的氧化中间产物 roi 所引起的生物学反应称为氧化应激 3 氧自由基 oxygenfreeradical 是指含有氧元素的自由基 氧自由基都是活性氧 但活性氧不一定就是氧自由基 如处于单线激发状态的氧 1o2 虽不是自由基 但其活性很高 从生物学意义上来讲属于活性氧 常用氧自由基 自由基对生命大分子的作用 1 抽氢反应 自由基将有机分子中的h转移至自身 形成有机自由基 ho rh r h2oh rh r h22 加成反应 自由基加入至不饱和有机分子中双键部位的反应h r ch ch2 r ch ch2 h 3 歧化反应 既有氧化作用又有还原作用的自由基 易于发生 发生在自由基或自由基与有机分子之间的单电子转移反应 o2 o2 2h h2o2 o2o2 h2o2 o2 oh oh 4 链式反应 在生物系统中脂质 rh 的过氢化就是链式反应与支链反应 5 氧化还原反应 o 2在水溶液中主要起还原剂作用 使细胞色素c还原 也可以使vc氧化 产生半脱氢抗坏血酸自由基 机体的抗氧化功能 一 抗氧化酶 过氧化氢酶 catalase cat 硒谷胱甘肽过氧化物酶 seleniumdependentglutathioneperoxidase segshpx 磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶 phospholipidhydroperoxideglutathioneperoxidase phgshpx 谷胱甘肽转硫酶 nonsegshpx 超氧化物歧化酶 superoxidedismutase sod 非特异性过氧化物酶 二 脂溶性抗氧化剂 维生素e类胡萝卜素泛醌 可消除1o2和 阻断脂质过氧化作用 直接与活性氧起反应抑制脂质过氧化 可清除 可与脂自由基 l 或脂过氧基 loo 反应 三 水溶性小分子抗氧化剂 维生素c 抗坏血酸 谷胱甘肽 与 和h oh反应 生成抗坏血酸自由基 供氢体 同时也是 oh 的清除剂 h2o2和1 四 蛋白性抗氧化剂 铜蓝蛋白 ceruloplasmin 是人血浆的含铜蛋白 是细胞液的重要抗氧化剂之一 其作用主要在于防止过渡金属fe2 和cu2 催化h2o2形成 oh 清蛋白结合的胆红素有效地清除 和过氧基 还可以作为过氧化物酶还原h2o2和有机过氧化物的提氢体 第二节辐射生物学效应的分类 确定性效应与随机性效应 重点 1 确定性效应 deterministiceffect 指发生生物效应的严重程度随着电离辐射剂量的增加而增加的生物效应 这种生物效应存在剂量阈值 只要照射剂量达到或超过剂量阈值效应肯定发生 如照射后的白细胞减少 白内障 皮肤红斑脱毛等辐射皮肤损伤均属于确定性效应 2 随机性效应 stochasticeffect 指生物效应的发生概率 而不是其严重程度 与照射剂量的大小有关的生物效应 这种效应在个别细胞损伤 主要是突变 时即可出现 不存在剂量阈值 如辐射致癌 遗传效应 外照射 内照射效应局部照射 全身照射效应 1 外照射 externalirradiation 辐射源从体外对机体进行的照射 射线 中子 x射线等穿透力强 外照射的生物学效应强 2 内照射 internalirradiation 放射性核素通过各种途径进入机体 在机体内发射出射线产生的生物效应 内照射效应主要发生在放射性核素通过的途径和沉积部位的组织器官 但其效应可波及全身 内照射效应一般以射程短 电离强的 射线为主 3 局部照射 localirradiation 当外照射的射线照射身体某一部位 引起局部组织的反应者称局部照射 当照射剂量和剂量率相同时 身体各部位的辐射敏感性依次为腹部 盆腔 胸部 头部 四肢 4 全身照射 totalbodyirradiation 当全身均匀地或非均匀地受到照射而产生全身效应时称全身照射 如照射剂量较小者为小剂量效应 如照射剂量较大者 1gy 则发展为急性放射病 根据照射剂量大小和不同敏感组织的反应程度 辐射所致全身损伤分为骨髓型 肠型 脑型三种类型 躯体和遗传效应近期与远期效应 1 躯体效应 somaticeffect 受照射个体体细胞损伤而致本身发生的各种效应称为躯体效应 又可区分为全身效应 totalbodyeffect 和局部效应 localeffect 如辐射所致的骨髓造血障碍 白内障等 2 遗传效应 geneticeffect 受照射个体生殖细胞突变 而在子代身上表现出的效应称遗传效应 这是由于电离辐射造成受照者生殖细胞遗传物质的损伤 引起基因突变和染色体畸变 导致后代先天畸形 流产 死胎和某些遗传性疾病 1 近期效应 earlyeffect 或者早期效应 指电离辐射作用于生物机体后 辐射损伤效应在照射后短期 数周内 就出现的那些效应 如急性放射病 急性皮肤损伤等 2 远期效应 lateeffect 或者远后效应 指电离辐射作用于生物机体后 辐射损伤效应在照射后数月至数年才出现的那些效应 一般6个月以上 如慢性放射病 致癌效应 放射性白内障 辐射遗传效应等 辐射旁效应电离辐射引起受照细胞损伤或功能激活 产生的损伤或激活信号可导致其共同培养的未受照射细胞产生同样的损伤或激活效应 称辐射旁效应 机制尽管不清楚 但与受照细胞产生的活性氧 细胞因子和细胞间缝隙连接通信 gjic 关系密切 辐射旁效应 传统辐射效应 只有被照射的细胞才会有变化 未直接受照射的细胞表现出与直接受照射细胞相类似的生物学终点变化 辐射诱导的旁效应因照射剂量和其它条件不同 可以是损伤性效应 也可以是保护性效应 ir 旁效应 细胞间隙连接抑制剂可减弱或消除某些辐射旁效应 转化的细胞与邻近的正常细胞可通过细胞间通讯而引起前者凋亡组织 细胞共培养体系的研究表明 受照射细胞与未受照射细胞共培养时 因受照射剂量不同 未受照射细胞可出现不同的改变 用共培养的上清培养液处理未照射的细胞 也发生同样的旁效应增殖反应 el 4 t淋巴细胞株 ir j774a 1 巨噬细胞株 el 4 第三节影响电离辐射生物效应的主要因素 重点 一 与辐射有关的因素1 辐射的种类 电离密度和穿透能力2 辐射剂量 一般情况存在剂量效应关系 非线性 3 辐射的剂量率 单位时间接受的照射剂量4 分次照射 效应低于一次照射5 照射部位 腹部 盆腔 头颈 胸部 四肢6 照射面积 照射面积越大 效应越显著7 照射方式 内照射 外照射 单向或多向 混合照射 二 与机体有关的因素1 种系的放射敏感性种系演化越高 机体组织结构越复杂 放射敏感性越高2 个体发育的放射敏感性敏感性随个体发育过程而逐渐降低十日法规 对育龄妇女下腹部的x射线检查都应当在月经周期第1天算起的10天内进行 以避免对妊娠子宫的照射3 不同器官 组织和细胞的放射敏感性bergonie和tribondeau定律4 亚细胞和分子水平的放射敏感性细胞核的敏感性高于胞浆dna mrna rrna trna 蛋白质 放射敏感性生物系统对辐射作用的反应性或灵敏性 当一切照射条件严格一致时 机体组织 器官 细胞和分子对辐射作用反应强弱或速度快慢不同 若反应强 速度快 则敏感性高 反之亦然 bergonie和tribondeau定律 一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比 而与其分化程度成反比 1 高度敏感组织 淋巴组织 胸腺 骨髓 胃肠上皮 性腺 胚胎组织 2 中度敏感组织 感觉器官 内皮细胞 皮肤上皮3 轻度敏感组织 中枢神经系统 内分泌腺 心脏4 不敏感组织 肌组织 软骨和骨等 三 与介质有关的因素 1 温度 机体受照射时 其內外环境温度的改变 可直接影响辐射生物学效应 称其为温度效应 进行放射治疗之前 先提高肿瘤组织局部温度 其放疗疗效有明显提高 其原因 温度造成动物体內氧状況的改变 温度引起体内新陈代谢水平的改变 在低温或冰冻状況下 溶液中自由基扩散受阻 2 氧 受照组织 细胞或溶液系统的辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加 这种现象称为氧增强效应 目前为提高肿瘤组织对辐射的敏感性 利用辐射 氧效应 这一特性提高放射治疗效果 3 化学物质在溶液体系中 由于其它物质的存在而使一定剂量的辐射对溶质的损伤效应降低称为防护效应 细胞的培养体系中或机体体液中在照前含有辐射防护剂 可减轻自由基反应 促进损伤生物分子修复 能减弱生物效应 反之 如含有辐射增敏剂 radiosensitizer 可增强自由基化学反应 阻止损伤分子和细胞修复 能提高辐射效应 应掌握的内容 概念 水的原初辐解产物 直接作用 间接作用 辐射旁效应 确定性效应 随机性效应 bergonie和tribondeau定律名词解释及英文缩写 let rbe roi oerlet与rbe的关系影响辐射生物效应的因素 70 低水平辐射生物效应及其研究进展 71 72 低水平辐射 指0 2gy以内的低let辐射或0 05gy以内的高let辐射 剂量率在0 05mgy min以内的各种辐射 低水平辐射与癌症发生 致癌 低水平辐射与癌症治疗 治癌 73 低水平辐射与癌症发生 不同观点的争论美国能源部10年研究计划流行病学调查资料 74 一 不同观点的争论焦点 辐射效应是否线性无域还是线性有域 这一问题在学术团体间和一般媒体上进行了不断的讨论 迄今尚无一致的结论 主要的争论焦点是辐射致癌是否存在剂量阈值 这一问题的切实解决 对社会经济发展 人类健康生活和科学技术应用都将产生重要的影响 75 线性无阈学说 linearno thresholdhypothesis lnt 辐射的健康危险性与剂量成线性关系 效应无剂量阈值 任何剂量无论多低 均会带来一定的健康危险性每单位剂量的危险度是衡定的危险性是随剂量增加而提高 右侧取自ncrp136号报告对同一资料的分析 x轴高度压缩 以致阈值和兴奋效应被掩盖 左侧取自unscear1994报告 在200msv以下可见明显的兴奋效应 该报告认为 在0 3sv范围内出现有统计学意义的上升性曲线 对日本原爆幸存者白血病资料的两种分析 放射生物学研究的核心问题之一是辐射剂量与生物效应的关系 77 美国核学会立场声明 1999年4月于波士顿 无足够的依据支持以lnt假说估计低水平辐射对健康的影响需要对以往的研究作全面分析 并进行新的研究 以驳斥lnt假说应启动跨越多学科的探讨低水平辐射健康效应的新研究项目 78 二 美国能源部10年研究计划 未来百年人类面临的照射主要来自医学检查 废物处理 恐怖事件以及与核武器 核能生产相关的环境因素 均为低剂量 低剂量率 低let辐射 因此 该计划集中于以上三方面辐射效应的研究 可以采用以往50年所没有的研究手段和技术 更加深入地探讨问题的本质 usdoe10 yearldrresearchprogram 1998 79 计划的资助预算 第1 3年 每年2 24千万 共计6 72千万第4 6年 每年2 56千万 共计7 68千万第7 10年 每年1 86千万 共计7 44千万总计2亿1千8百40万 进行中项目106个 结题54个 80 三 辐射流行病学调查 切尔诺贝利事故高空飞行人员 3项调查 68 061人 英国核工业职工 1946 1997年51 367人 居室氡与肺癌 eu13项调查 高本底地区健康调查 81 地点 前苏联切尔诺贝利原因 核电站泄漏及爆炸辐射源 131i 134cs 137cs当场死亡人数 31人2006年报告 累计死亡人数56人剂量 相当于广岛 长崎两枚原子弹辐射量的100倍后果 47名工人 9名儿童患甲状腺癌 切尔诺贝利事故 1986 4 26 82 切尔诺贝利事故的评价 2006年切尔诺贝利论坛的结论是该地区居民无须顾忌不良健康效应 事故发生之初 t d luckey曾预言 这将是一次对辐射兴奋效应学说的天然实验 雷帕乔利博士说 切尔诺贝利事故对健康最主要的副作用不是辐射 而是恐惧 83 高本底地区健康调查 阳江高本底辐射地区是两块分开的区域 总面积约为500km2 放射性来源于附近山上的花岗岩 经过长期雨水冲刷 独居石微粒不断地沉积在附近两片洼地 使这两块地区的放射性本底升高 84 长期居住人口 8万多人高本底程度 约为邻近的恩平县的3倍适应性反应指标 外周血淋巴细胞受大剂量uv射线作用后其uds增高 受大剂量x射线作用后其染色体畸变率降低 最近的报告 该地区人群中40 70岁的癌症高发年龄段的居民癌症死亡率显著低于相应对照地区 调查结果 85 低水平辐射免疫效应与癌症治疗 86 重要概念 适应性反应 先给予机体 细胞 低剂量辐射 随后给予大剂量辐射时 其有害作用减轻 保护剂量 d1攻击剂量 d2表现形式 整体水平 细胞水平 分子水平 一 低剂量辐射免疫效应 低水平辐射诱导精母细胞适应性反应 小鼠受低剂量率 20 gy min 慢性照射 累积剂量1 1gy d1 照射结束后40日 给予1 5gyx射线 d2 检查精母细胞染色单体断裂 低剂量率慢性照射诱导明显的细胞遗传学适应性反应 cail etal 1995 c57bl 6小鼠低剂量辐射抑癌实验 照射结束后6个月观察结果 hdr 1 75gyx4 李修义等 1998 低剂量辐射抑癌效应机制照射结束后1个月检查 对照75mgy 41 75gy 4 75mgy 1 5gy 4nk100116 563 7 1 93 2 2 il